微生物生物能源发展现状及趋势

L/O/G/O微生物生物能源发展现状及趋势谢晨庚卢蕴达苏庆东赵玉盛•生物质是指由植物、动物或微生物生命体所合成得到的物质的总称。•以生物质替代化石资源发展化学工业是人类可持续发展的必经之路.生物能源生物产氢生物柴油生物乙醇1、生物乙醇•起源：巴西美国1、生物乙醇•生产流程及原理：玉米、小麦、薯类、木薯等多糖类植物催化酶淀粉转化为单糖发酵罐酵母水+乙醇蒸馏副产物：水+二氧化碳乙醇（可直接燃烧或与汽油混合使用）1、生物乙醇•发展趋势及存在问题现阶段生物乙醇的原料主要为所在国的特产作物，目前世界生物乙醇生产量最高的国家为美国，依靠联邦政府年56.8亿美元的补贴，生物乙醇已占美国年能源消耗的2%左右，而巴西等国也使用木薯等高淀粉植物生产生物乙醇。现阶段的主要问题为：玉米乙醇的生产需要消耗大量玉米，这给各国的粮食安全造成了重大的威胁，且乙醇的热值为汽油的2/3，全部的玉米投入乙醇的生产也不能满足基本能源需求；蒸馏过程中也需要耗费大量能源，并不是环境友好型的生物能源。1、生物乙醇•发展前景：生物乙醇未来将着眼于纤维素乙醇的开发，筛选可纤维素转化为糖的高效酶，并且改善生产工艺，将生产所需的能源需求降到最低。2、生物柴油•起源：生物柴油是以大豆、油菜等油料作物，油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、非餐饮油等为原料，通过分解酯化而得到的长链脂肪酸，是一种可以替代普通柴油使用的环保、可再生能源。2、生物柴油生物柴油与石化柴油相比有以下优点:十六烷值较高,大于49(石化柴油为45),抗爆性能优于石化柴油;含氧量高于石化柴油,可达11%,在燃烧过程中所需的氧气量较石化柴油少,燃烧、点火性能优于石化柴油;不含芳香族烃类成分而不具致癌性,并不含硫、铅、卤素等有害物质;无须改动柴油机,可直接添加使用;生物柴油的闪点较石化柴油高,有利于安全运输、储存;不含石蜡,低温流动性好,适用区域广。2、生物柴油•工程微藻生产：利用工程微藻生产柴油,其优越性在于:微藻生产能力高,用海水作为天然培养基可节约农业资源;比陆生植物单产油脂高出几十倍;生产的生物柴油不含硫,燃烧时不排放有毒有害气体,排人环境中也可被微生物降解,不污染环境。通过选取产油量较高的藻种，使之最大限度的再光照条件下培养，随着藻类的生长，其会在细胞壁内储存油脂，使用各种方法收集藻类细胞后，使用化学溶剂将细胞溶解，杀死藻类并释放出油脂。2、生物柴油•生物酶法分解废餐饮油脂：将餐饮企业费餐饮用油、泔水等，集中到一起，使用以嗜热丝抱菌、米黑毛酶、南极假丝酵母的固定化脂肪酶及其微生物细胞为催化剂,用3~4级酶反应连续转酶生产所需的生物柴油。2、生物柴油•发展趋势及存在问题：我国生物柴油起步较晚，现存在问题较多：原料供应体系并未建立，原料的收集较成问题；分销渠道并不完全；生物柴油获得人民支持较少，未有广泛的人民群众基础。微生物生物柴油成本过高，且高产油微藻和菌株较难筛选。•发展前景：生物柴油有改善生态环境、缓解能源消费压力、含氧量高、降低空气毒性和致癌率以及生物降解性高等诸多优点,在我国,发展生物柴油具有良好的前景。使用微生物法生产，具有耗能较少，绿色环保等特点具有广阔的发展前景。3、生物产氢•起源：随着环保要求的日益严格和化石能源的日益短缺,氢能作为清洁高效的可再生能源受到人们的普遍重视。汽车尾气是当今世界尤其是工业化国家最主要的污染源。约31%的温室气体CO2来自于汽车。氢燃烧时仅产生水,而不排放CO2,它是一种比化石燃料更令人满意的环保型能源。3、生物产氢•目前全世界5.2亿车辆中有93%使用汽油、柴油等化石燃料,由于化石燃料已经短缺,有人估计最多只能再使用200年。而氢气是可再生的,随着产氢技术的不断发展,氢将成为取之不尽用之不竭的燃料。3、生物产氢厌氧光营养细菌绿硫细菌绿色非硫细菌红色非硫细菌红色硫细菌螺旋菌RhodobactercapsulataRhodobactersphaeroides•产氢细菌：3、生物产氢•外源性有机物通过EMP、TCA循环生成ATP、质子、CO2以及像琥珀酸一类的电子供体.电子供体将电子传递给胞内的电子传递链,低能态的电子在光反应中心受到光的激发生成高能态的电子.高能态的电子一部分离开电子传递链被传给铁氧还蛋白,铁氧还蛋白则又将电子传给固氮酶.另一部分的电子则在电子传递链内传递,并生成ATP.固氮酶则利用ATP、质子和电子生产氢气.氢酶则主要起吸氢作用,以回收部分能量.3、生物产氢•产氢藻类：绿藻可逆产氢酶光水解产氢直接光水解产氢一步法间接光水解产氢可逆产氢酶对氧气极为敏感,当气相环境中氧气浓度接近1.5%时,可逆产氢酶迅速失活,产氢反应立即停止,所以直接光水解产氢过程难以持续进行,很难发展成为大规模制氢技术。3、生物产氢•一步法间接光水解制氢可以实现O2和H2的产生在时间和空间上的分离。绿藻在不含硫培养基中,光合作用放氢能力逐渐降低到小于呼吸作用的耗氧能力,使藻液保持厌氧状态,产氢酶表达水平提高,放氢时间延长,氢产量随之提高。•间接光水解产氢的工艺路线,主要是Greenbawn提出的一步法间接光水解产氢工艺。将藻细胞悬浮在无硫培养基中,厌氧条件下3h诱导可逆产氢酶的表达,然后光照下绿藻细胞为了维持自身生命活动,消耗体内营养物质,产生的电子通过电子传递链到可逆产氢酶还原质子产氢,得到的气体含有H2,O2,CO2,该方法不能使氢气、氧气的产生完全分离。3、生物产氢•发展趋势及存在问题：虽然利用微藻可逆产氢酶光水解制氢的研究已有所突破,但距离真正大规模应用还为时尚早。将大规模制氢技术的开发完全寄托于藻类(微藻)的代谢模式上,是否过于乐观?微藻产氢相关基因HydA表达量很小,只有无氧环境条件的诱导才会大量表达；且相关研究并未深入进展；对高产氢微藻的选育以及用基因工程的方法对其进行改造仍是研究的难点。3、生物产氢•发展前景：微藻光生物水解制氢技术有可能成为未来世界新一代支撑能源,同时,利用微藻可逆产氢酶生产可持续的氢燃料,还将带动微藻氢代谢,微藻生物化工等相关技术的发展。总结•由于对化石能源已经开采将近几千年，化石能源的储量急剧下降，且其价格随市场浮动较大，对我国能源安全以及经济建设都存在着很大威胁。微生物能源以其绿色清洁，节能环保，对市场波动不明显等特征对国家发展有着重要现实价值。对微生物能源的研究虽已取得一定的成就，但仍然任重道远。L/O/G/OThankYou!